• No results found

Dynamic knee stability after anterior cruciate ligament injury

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Dynamic knee stability after anterior cruciate ligament injury"

Copied!
123
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Linköping University Medical Dissertations No. 1036 

 

 

Dynamic knee stability 

after 

anterior cruciate ligament 

injury 

 

Emphasis on rehabilitation 

 

   

Sofi Tagesson 

 

        Division of Physiotherapy  Department of Medical and Health Sciences  Linköping University, Sweden   

(2)

                                      © Sofi Tagesson, 2008   sofi.tagesson@ihs.liu.se  http://www.imh.liu.se    Electronic publication of the thesis:  http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva‐10498      Published articles have been reprinted with the permission of the copyright holder.  Paper I reprinted with permission of the Scandinavian Journal of Medicine & Science in  Sports, Blackwell Publishing.  Paper II reprinted with permission of the Journal of Strength and Conditioning Research,  Allen Press Publishing Services. 

Paper  III  reprinted  with  permission  of  the  American  Journal  of  Sports  Medicine,  Sage  Publications, Inc.      Printed in Sweden by LiU‐Tryck, Linköping, Sweden, 2008    ISBN 978‐91‐85895‐05‐2  ISSN 0345‐0082   

(3)

              To my family                                                       

(4)

                         

(5)

Contents 

CONTENTS 

ABSTRACT ... 1 LIST OF PAPERS ... 3 DESCRIPTION OF CONTRIBUTION... 4 ABBREVIATIONS... 5 DEFINITIONS... 6 INTRODUCTION... 8 Anatomy and function of the knee joint... 8 Mechanical properties of ligaments... 8 Anterior cruciate ligament ... 9 ACL injury... 10 Incidence and injury mechanisms... 10 Consequences of the injury ... 11 Static knee stability ... 12 Dynamic knee stability... 12 Proprioception and neuromuscular control ... 13 Muscle function... 14 Treatment of ACL injury... 15

(6)

Contents    Rationale for the thesis ... 23 AIMS OF THE THESIS... 24 General aim... 24 Specific aims ... 24 MATERIALS AND METHODS... 26 Design ... 26 Overview of the studies... 26 Subjects... 27 Study I and II... 28 Study III... 28 Study IV ... 29 Equipment... 29 Electrogoniometer ... 29 Electromyography ... 31 Isokinetic device... 32 Force measurements... 32 Questionnaires about subjective knee function and activity level... 33 Assessments ... 35 Static tibial translation (study I, III, IV) ... 35 Dynamic tibial translation and electromyography (study I, III, IV) ... 35 Muscle strength (study II, III, IV)... 38 Functional performance (study III)... 40 Knee joint circumference (study III, IV) ... 40 Passive range of motion (study III, IV)... 41 Data analysis... 41 Tibial translation ... 41 Electromyography ... 42 Muscle strength... 42 Statistical analyses... 42 Ethical considerations ... 44 RESULTS ... 45

(7)

 Contents    Tibial translation and muscle activation after an exercise session in  uninjured individuals (study I) ... 45 Static tibial translation ... 45 Dynamic tibial translation... 45 Electromyography ... 46 The procedure for the establishment of one repetition maximum (study  II) ... 47 Reliability of squat on one leg (study II) ... 47 Reliability of seated knee extension on one leg (study II)... 47 Effects of rehabilitation programs with quadriceps strengthening in  closed or open kinetic chain in patients with ACL deficiency (study III) 49 Static tibial translation ... 49 Dynamic tibial translation... 49 Electromyography ... 50 Muscle strength... 51 Functional performance... 51 Swelling and passive range of motion ... 52 Follow‐up two to three years after the injury... 52 Tibial translation and muscle activation during rehabilitation exercises  five weeks after ACL reconstruction (study IV)... 53 Static tibial translation ... 53 Dynamic tibial translation... 53 Electromyography ... 53 The ACL reconstructed leg compared to the uninjured leg (study IV) .... 55 Static tibial translation ... 55 Dynamic tibial translation... 55 Electromyography ... 55 The ACL reconstructed leg compared to the ACL deficient leg (study IV)56

(8)

Contents    Main findings ... 58 Dynamic knee stability during and after exercises in closed and open  kinetic chain... 59 Altered dynamic stability ... 61 Muscle activation during and after exercises in closed and open kinetic  chain... 64 Muscle function after rehabilitation... 66 Strength training and dosage of rehabilitation programs ... 68 Non‐surgical treatment or ACL reconstruction ... 69 Methodological considerations... 70 Tibial translation ... 70 Electromyography ... 72 Measurements of muscle strength and functional performance... 74 Measurements on uninjured individuals and patients with ACL injury75 Selection of leg for assessment... 76 Using the uninvolved leg as a reference ... 76 Design of the randomised clinical study (III)... 77 Compliance to the rehabilitation programs... 77 Contribution to research... 78 Clinical implications ... 78 Future research ... 79 CONCLUSIONS ... 80 SAMMANFATTNING ... 82 ACKNOWLEDGEMENTS ... 84 REFERENCES ... 86  

(9)

      Abstract 

ABSTRACT 

  Anterior  cruciate  ligament  injury  leads  to  increased  sagittal  tibial  translation, and perceptions of instability and low confidence in the knee joint  are  common.  Many  patients  have  remaining  problems  despite  treatment  and  are  forced  to  lower  their  activity  level  and  prematurely  end  their  career  in  sports.  The  effect  of  ACL  reconstruction  and/or  rehabilitation  on  dynamic  knee stability is not completely understood. The overall aim of this thesis was  to  study  the  dynamic  knee  stability  during  and  after  rehabilitation  in  individuals  with  ACL  injury.  More  specific  aims  were  1)  to  elaborate  an  evaluation method for muscle strength, 2) to evaluate the effect of exercises in  closed  and  open  kinetic  chain,  and  3)  to  evaluate  dynamic  knee  stability  in  patients with ACL deficiency or ACL reconstruction. 

  Sagittal tibial translation and knee flexion angle were measured using the  CA‐4000  computerised  goniometer  linkage.  Muscle  activation  was  registered  with electromyography. 

  The  intra‐  and  inter‐rater  reliability  of  1  repetition  maximum  (RM)  of  seated  knee  extension  was  clinically  acceptable.  The  inter‐rater  reliability  of  1RM of squat was also acceptable, but the intra‐rater reliability was lower. The  systematic procedure for the establishment of 1RM that was developed can be  recommended for use in the clinic. 

  One specific exercise session including cycling and a maximum number of  knee  extensions  and  heel  raises  did  not  influence  static  or  dynamic  sagittal  tibial  translation  in  uninjured  individuals.  A  comprehensive  rehabilitation  program with isolated quadriceps training in OKC led to significantly greater  isokinetic  quadriceps  strength  compared  to  CKC  rehabilitation  in  patients  with ACL deficiency. Hamstring strength, static and dynamic translation, and  functional  outcome  were  similar  between  groups.  Five  weeks  after  ACL  reconstruction,  seated  knee  extension  produced  more  anterior  tibial 

(10)

Abstract 

knee  extension  angle  during  gait  and  increased  hamstring  activation  during  activity,  which  reduces  the  dynamic  tibial  translation.  Patients  with  ACL  deficiency  that  completed  a  four  months  rehabilitation  program  used  a  movement pattern that was more close to normal.  

(11)

      List of papers 

LIST OF PAPERS 

This thesis is based on the following papers, which are referred to in the text  by their Roman numerals: 

I. Sofi  Tagesson,  Birgitta  Öberg,  Joanna  Kvist.  Passive  and  dynamic 

translation  in  the  knee  is  not  influenced  by  knee  exercises  in  healthy  individuals. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports 2005; 15  (3) 139‐147. 

II. Sofi  Tagesson,  Joanna  Kvist.  Intra‐  and  interrater  reliability  of  the 

establishment  of  one  repetition  maximum  on  squat  and  seated  knee  extension.  Journal  of  Strength  and  Conditioning  Research  2007;  21  (3)  801‐ 807. 

 

III. Sofi  Tagesson,  Birgitta  Öberg,  Lars  Good,  Joanna  Kvist.  A 

comprehensive rehabilitation program with quadriceps strengthening in  closed  versus  open  kinetic  chain  in  patients  with  anterior  cruciate  ligament  deficiency:  a  randomized  clinical  trial  evaluating  dynamic  tibial translation and muscle function. American Journal of Sports Medicine  2008; 36 (2) 298‐307. 

 

IV. Sofi  Tagesson,  Birgitta  Öberg,  Joanna  Kvist.  Tibial  translation  and 

muscle  activation  during  rehabilitation  exercises  5  weeks  after  anterior  cruciate ligament reconstruction. Submitted 2007. 

   

(12)

Decription of contribution   

DESCRIPTION OF CONTRIBUTION 

Paper I  Study design  Joanna Kvist, Sofi Tagesson, Jan Gillquist     Data collection  Sofi Tagesson    Data reduction  Sofi Tagesson  Data analysis  Sofi Tagesson, Joanna Kvist, Birgitta Öberg  Manuscript writing  Sofi Tagesson      Manuskript revision  Joanna Kvist, Birgitta Öberg    Paper II  Study design  Sofi Tagesson, Joanna Kvist 

Data collection  Sofi  Tagesson,  Per  Axelsson,  Bettina  Hillborg,  Marie  Rydén  Data reduction  Sofi Tagesson  Data analysis  Sofi Tagesson  Manuscript writing  Sofi Tagesson  Manuscript revision  Joanna Kvist, Birgitta Öberg    Paper III  Study design  Sofi Tagesson, Joanna Kvist, Birgitta Öberg, Lars Good  Data collection  Sofi Tagesson    Data reduction  Sofi Tagesson  Data analysis  Sofi Tagesson    Manuscript writing  Sofi Tagesson    Manuscript revision  Joanna Kvist, Birgitta Öberg, Lars Good    Paper IV  Study design  Sofi Tagesson, Joanna Kvist, Birgitta Öberg  Data collection  Sofi Tagesson  Data reduction  Sofi Tagesson  Data analysis  Sofi Tagesson    Manuscript writing  Sofi Tagesson  Manuscript revision   Joanna Kvist, Birgitta Öberg     

(13)

      Abbreviations   

ABBREVIATIONS 

ACL   Anterior cruciate ligament  CKC  Closed kinetic chain  EMG  Electromyography  ICC   Intra class correlation coefficient  KOOS  Knee injury and Osteoarthritis Outcome Score  Mean  MIVC   Maximal isometric voluntary contraction  OKC  Open kinetic chain  RCT  Randomised Controlled Trial  RM  Repetition maximum  ROM   Range of motion  SD  Standard Deviation  VAS  Visual Analogue Scale 

(14)

Definitions 

DEFINITIONS 

ACL deficiency    The state or condition of lacking a substance, quality, or  characteristic  essential  for  completeness;234  i.e.,  absence  of the anterior cruciate ligament  

ACL graft    The  biological  substitute  used  for  reconstruction  of  a  ruptured anterior cruciate ligament 

Closed kinetic  chain exercise  

  Exercise  that  is  modelled  as  a  closed  linkage  where  a  movement  in  one  joint  simultaneously  produces  movements in other joints of the extremity243, 339  Compliance    A patient’s collaboration with treatment directions  Concentric  muscle action    When a muscle shortens while producing force155  Dynamic knee  stability 

  The  ability  of  the  knee  joint  to  remain  stable  during  physical  activity.342  Synonymous  with  functional  stability  Dynamic tibial  translation    Anterior tibial translation during activity  Eccentric  muscle action    When a muscle lengthens while producing force155 

Giving way    The  knee  buckles  or  it  feels  as  if  it  would  not  hold  the  patient’s weight47 

Instability    A  condition  of  a  joint  characterized  by  an  abnormal  increased range of motion due to injury to the ligaments,  capsule, menisci, cartilage or bone234 

Laxity    Slackness  or  lack  of  tension  (a  characteristic  of  a  ligament)  and  looseness,  referring  to  a  normal  or  abnormal range of motion of a joint234 

(15)

      Definitions   

 

Muscle strength    The  maximal  force  a  muscle  or  muscle  group  can  generate at a specified velocity155 

Neuromuscular  control 

  The  ability  to  produce  controlled  movement  through  coordinated muscle activity342 

Open kinetic  chain exercise 

  Exercises  that  isolate  one  link  of  the  kinetic  chain  and  where the distal segment is free to move243, 339 

Reliability     Consistency  of  measurements  and  the  absence  of  random and systematic measurement error12, 313 

Repetition  maximum  

  The  heaviest  resistance  that  can  be  lifted  for  one  complete repetition of an exercise76, 155 

Static tibial  translation 

  Total sagittal tibial translation during the Lachman test 

Strain    Change  in  the  dimension  of  a  material  divided  by  its  original size176 

Tibial position    Relative location of tibia with respect to femur 

Torque    Moment  of  force  (term  generally  applied  to  rotation  of  shaft) (unit Nm)176 

Translation    A  type  of  motion  or  displacement  of  a  rigid  body  in  which  all  lines  attached  to  it  remain  parallel  to  their  original orientation176, 234 

     

     

(16)

Introduction 

 

INTRODUCTION 

Anatomy and function of the knee joint 

The  knee  joint  has  six  degrees  of  freedom,  three  rotational  and  three  translational.103  It  is  a  complex  joint  that  provides  both  stability,  to  allow  weight bearing, and mobility. The knee joint obtains just modest stability from  the  bones  due  to  incongruity  of  the  tibia  and  femoral  condyles.  The  menisci,  on the other hand, provide stability through improved joint congruity because  of  their  shape,  orientation,  and  functional  properties.295  In  addition,  the  ligaments,  capsule,  and  the  muscolutendinous  soft  tissue  that  surrounds  the  knee  interact  with  complex  gliding  and  rolling  movements  in  the  joint  to  maintain  functional  stability.342  The  knee  ligaments  guide  the  skeletal  segments  during  motion  and  are  the  primary  restraints  to  knee  joint  translations during passive loads.20 

 

There  is  great  range  of  movement  (ROM)  in  flexion  and  extension  in  the  sagittal  plane,  and  a  small  amount  of  rotation  in  the  transversal  plane,  especially  when  the  knee  is  flexed  and  the  foot  is  not  fixed  to  a  surface.  Movements  in  the  knee  joint  are  a  combination  of  rolling  and  gliding.  Beginning  with  full  extension  in  a  weight  bearing  position,  the  femoral  condyles only roll, and with increased flexion the sliding movement becomes  increasingly more significant. At the end of flexion, the condyles only slide.103,  242  The  tibial  plateaus  slopes  approximately  9°  posterior.103,  204,  229  During  weight‐bearing,  a  vertical  compression  causes  the  tibia  to  translate  anteriorly.67,  170,  295,  326  At  activities  such  as  running  and  cutting  the  knee  is  flexed, which means that the tibial plateau is almost parallel with the weight‐ bearing surface.69  

Mechanical properties of ligaments 

Ligaments  are  viscoelastic  structures  and  have  a  combination  of  elastic  and  viscous  qualities.  An  elastic  material  returns  to  its  original  shape  after  it  has 

(17)

      Introduction   

been  exposed  to  load.  A  viscous  material  does  not  deform  initially  when  loaded; the strain is delayed. Moreover, when a deformation has taken place,  the  material  does  not  recover.  A  viscoelastic  material  deforms  slowly  in  a  nonlinear  manner.  Also,  it  slowly  and  nonlinearly  returns  to  its  original  size  and  shape  after  the  load  has  been  removed.  The  mechanical  properties  of  ligaments can be displayed in a load‐deformation curve, called a stress‐strain  curve (Figure 1). Stress is defined as the internal force per unit area. Strain is  defined as the percentage elongation over the original length.176 The beginning  of  the  stress‐strain  curve  has  a  linear  relationship  and  corresponds  to  the  elasticity of the ligament. The elastic limit (Figure 1) indicates the point where  the  ligament  will  not  return  to  its  original  length,  i.e.,  plastic  deformation.  With  increased  strain,  a  progressive  rupture  of  the  material  occurs,  and  the  rupture  point  (Figure  1)  is  the  point  when  a  total  ligament  rupture  occurs.  When a ligament is loaded and unloaded repeatedly, the cycles will not follow  the  same  path.  The  area  between  the  loading  and  unloading  curves  corresponds to internal energy loss. This phenomenon is called hysteresis.176       Figure 1 Stress‐strain curve that  displays the mechanical properties of  ligaments.                 

Anterior cruciate ligament  

Stress Strain Elastic limit Rupture point Elastic range Plastic range

(18)

Introduction 

 

restraint to anterior tibial translation, and it provides an average of 86% of the  total  resisting  force.  Additionally,  it  is  a  secondary  restraint  to  rotation,  especially  internal  rotation  of  tibia.45  Accordingly,  the  strain  in  the  ACL  is  increased  when  the  tibia  is  exposed  to  anterior  force.  After  15  to  25%  of  elongation  of  the  ACL,  in  relation  to  its  original  length,  plastic  deformation  occurs.173  The  average  strain  in  the  anteromedial  bundle  of  the  ACL  during  90N Lachman test is 2.16 ± 1.1% and during 150N it is 3.4 ± 1.8%.82 The failure  load of an ACL is reported to be about 2160 ± 157N in young individuals, and  ultimate  load  and  energy  absorbed  decrease  significantly  with  age.347,  348  Another  study  states  that  load  at  failure  is  about  1818  ±  699N  in  males  and  about 1266 ± 527N in females.52 Moreover, the strain at failure was 30 ± 6% in  males  and  27  ±  8%  in  females.52  During  daily  activities  and  commonly  prescribed rehabilitation exercises, the ACL is loaded only to about 20% of its  failure capacity.31, 32, 124 

ACL injury  

Incidence and injury mechanisms 

Anterior  cruciate  ligament  injury  is  the  most  common  total  ligament  rupture  in the knee.34, 208 The injury is relatively uncommon in the general population;  the  yearly  incidence  is  0.3  to  0.81  per  1000  inhabitants.90,  227  The  incidence  is  considerably greater among athletes.104 An estimated 80000 ACL injuries occur  annually  in  the  United  States.104  In  Sweden,  about  6000  ACL  injuries  occur  yearly, and approximately 3000 ACL reconstructions are performed.1 Soccer is  the most common activity that results in injury,90 and ACL injuries represent  43% of all soccer related injuries.275 Also basketball, handball, football, alpine  skiing and gymnastics are common activities that result in injury.41, 127, 205, 220, 221,  256 Rates of ACL injury in women’s soccer and basketball have been reported  to  be  0.32  and  0.28  injuries  per  1000  athlete  exposures  respectively.  Correspondingly,  rates  of  ACL  injury  for  men  are  0.11  and  0.08  injuries  per  1000 athlete exposures respectively.205  

 

More  males  than  females  sustain  an  ACL  injury  due  to  the  greater  absolute  number  of  male  participants  in  sport  activities.104  However,  the  risk  of  sustaining  an  ACL  injury  is  reported  to  be  two  to  eight  times  higher  among 

(19)

      Introduction   

female  athletes  compared  to  their  male  counterpart. 4,  8‐10,  104,  117,  139,  221,  275  The  females  also  get  injured  at  a  younger  age  than  men.275  A  recent  study  found  small gender differences in the overall risk of sustaining an ACL tear although  gender  differences  in  injury  rates  were  found  when  specific  sports  were  compared.218 

 

Anterior  cruciate  ligament  injuries  are  thought  to  occur  due  to  unsuccessful  postural  adjustments  and  abnormal  dynamic  loading,  i.e.,  inter‐segmental  loads in the knee joint.105 The majority of the ACL injuries (about 70%) occur in  a  non‐contact  situation.41,  104  Non‐contact  injuries  often  occur  with  the  knee  close  to  extension  during  a  sudden  deceleration  or  landing  motion.  Contact  injuries are frequently the result a contact blow to the lateral aspect of the leg  or  knee,  a  motion  that  causes  a  valgus  collapse.41  The  injury  mechanism  for  ACL  injuries  in  female  team  handball  is  reported  to  be  a  forceful  valgus  collapse  with  the  knee  close  to  full  extension  combined  with  external  or  internal  tibial  rotation.238  Associated  injuries  in  the  capsule,  ligament  or  menisci are common, and most patients have complex injuries.90, 154, 239  

Consequences of the injury 

An  ACL  rupture  leads  to  increased  laxity  in  the  knee.45,  63,  154,  184,  232,  284  In  the  ACL  deficient  knee,  anterior  tibial  translation  is  limited  by  secondary  restraining  structures,  such  as  the  posterior  joint  capsule,  the  collateral  ligaments,  and  the  menisci.45,  201  The  injury  leads  to  loss  of  mechanoreceptor  feedback  and  loss  of  reflex  muscular  contractions.19‐21,  25,  26,  144,  145,  162,  305  Furthermore,  the  ACL  injury  often  results  in  perceptions  of  instability  in  the  knee  joint.47,  236  Giving  way  is  common,  and  this  is  described  as  the  knee  buckles or a feeling as if the knee would not hold the patient’s weight.47 The  patients frequently describe low confidence in their knee joint. Individuals are  often  forced  to  lower  their  activity  level  and  prematurely  end  their  career  in  sports.96, 163, 169, 236, 275, 303 

(20)

Introduction 

 

50  years  with  early‐onset  osteoarthritis.185  The  joint  instability280  and  muscle  weakness115 are thought to lead to progressive arthritic changes. Some patients  use a stabilization strategy after the injury that stiffens the knee joint, and that  may lead to changed loading on the joint surfaces and excessive joint contact  forces.  This  could  damage  articular  structures.279  Moreover,  intra‐articular  pathogenic processes are initiated at time of the injury, and this together with  the  changed  loading  pattern  on  the  joint  surfaces  is  thought  to  contribute  to  the  osteoarthritis.185,  283  In  addition,  associated  injuries,  especially  menisci  injury,  probably  increase  the  risk  of  future  osteoarthritis.5,  95,  147,  185  An  ACL  reconstruction does not seem to prevent osteoarthritis.60, 185 

Static knee stability  

The  knee  anatomy  includes  a  supportive  system  of  osseous,  contractile,  and  non‐contractile structures, which together contributes to stability in the joint.103  In  a  passive  situation,  for  example  during  a  static  laxity  test,  the  bones  and  other non‐contractile structures provide joint stability. An ACL injury leads to  decreased  static  stability  due  to  loss  of  an  important  stabilizer.45,  154,  232  The  static tibial translation is frequently assessed when evaluating treatment after  ACL injury.46, 206, 249, 287 However, static tibial translation does not correlate with  functional  outcome  in  patients  with  ACL  deficiency71,  134,  246,  301  or  ACL  reconstruction121,  287  or  with  quadriceps  or  hamstring  muscle  strength  in  patients with ACL deficiency.246 Furthermore, the static tibial translation does  not  correlate  with  the  dynamic  tibial  translation,  i.e.  translation  during  activity.166  

Dynamic knee stability  

Dynamic knee stability is the ability of the knee joint to remain stable when it  is exposed to the rapidly changing loads that occur during activity.342 Dynamic  stability  depends  on  integration  of  articular  geometry,  soft  tissue  restraints,  and  the  loads  applied  to  the  joint  through  weight  bearing  and  muscle  activation.342 Generally, several ligaments work synergistically to provide joint  stability.103 In addition, joint compressive forces, gained by weight bearing and  muscle  activity,188,  195,  196  provide  additional  stability.132  The  neuromuscular  system  regulates  joint  motion.122,  137,  293,  342  When  high  loads  are  placed  on  the 

(21)

      Introduction   

ligaments  and  other  soft  tissues,  for  example  during  some  high  speed  sport  activities, additional stabilizing forces are required to keep the strain in knee  ligaments  within  safe  ranges.  Although  muscle  contraction  can  stabilize  a  mechanically unstable knee, these contractions can increase joint stiffness. Co‐ contraction  of  agonist‐antagonist  may  further  enhance  joint  stiffness  by  increasing  the  joint  compression.179,  180,  188,  326,  342  Increased  joint  stability,  and  accordingly  a  probable  reduction  in  ACL  strain,  can  be  the  result  of  co‐ contraction.18,  180,  260,  305  Co‐contraction  regulates  joint  motion,  and  the  antagonist can regulate the effect of gravity and velocity of a movement. When  performing  an  unpractised  exercise,  increased  co‐contraction  is  present.  However,  as  a  skill  is  acquired  by  practice,  the  activation  of  the  antagonist  muscle  is  reduced,  and  the  efficiency  of  the  movement  is  increased.305  In  an  ACL injured knee, the muscles play an even greater role in achieving dynamic  stability.  Some  patients  can  maintain  knee  stability  in  dynamic  situations  despite a mechanically unstable knee.301 Dynamic tibial translation is a factor  of importance for good function after ACL injury.165 It has been described that  patients with ACL deficiency who do not function well after the injury, non‐ copers,  use  a  joint  stiffening  strategy  with  increased  co‐contraction.  In  contrast, patients who function well after the injury, copers, use a movement  pattern that is more close to normal.278‐280 

Proprioception and neuromuscular control 

The  sensorimotor  system  represents  complex  neurosensory  and  neuromuscular processes.178 Proprioception is the afferent information arising  from internal peripheral areas of the body that contribute to postural control,  joint  stability,  and  several  conscious  sensations.264  Proprioception  involves  acquisition of stimuli from mechanoreceptors primarily situated in the muscle,  tendon, ligament, and capsule. The mechanoreceptors sensitive to this stimuli  are  Ruffini  receptors,  Pacinian  corpuscles,  Golgi  tendon  organ  like  endings,  and  free  nerve  endings.  Sensory  input  is  integrated  into  the  central  nervous 

(22)

Introduction 

 

the  ligament  transmit  impulses  through  the  nervous  system  to  the  muscles.  When a ligament is overstretched, strong impulses are forwarded to muscles  that  are  synergists  to  the  ligament.  A  subsequent  muscle  contraction  may  protect the ligament from getting injured.20, 162 However, the cruciate ligament  reflex has a latency that is too long to activate the muscles in time to prevent  ligament rupture in sport accidents.162, 305  

 

There are mechanoreceptors situated in the ACL.144, 145, 285, 286, 305 The ACL has a  proprioceptive  role,  and  loss  of  proprioceptive  feedback  in  the  ACL  injured  knee  may  be  of  importance  in  functional  knee  instability.19‐21,  25,  26,  144,  145,  162,  305  Reflex hamstring contraction as a response to shear force on tibia or stress of  the ACL have been reported.25, 91, 304 ACL deficient knees have longer latency of  the  reflex  hamstring  contraction  compared  to  uninjured  knees,  and  this  is  suggested  to  be  a  factor  contributing  to  functional  instability  in  the  injured  knee  joint.25,  26,  162,  305  Thus  normal  knee  function  depends  on  intact  neuromuscular  control.  The  results  regarding  if  afferent  input  and  the  reflex  muscle contraction are restored through an ACL reconstruction are somewhat  contradictory, although deficits seems to persist to some degree.19, 144, 162, 259 

Muscle function 

Muscle  function  depends  on  neural,  muscular,  and  biomechanical  factors.75  Weakness  of  the  thigh  muscles,  especially  the  quadriceps,  is  a  common  consequence after knee trauma. Joint pathology can cause inhibition of muscle  activity.135,  136,  213,  312  Moreover,  immobilization  results  in  decreased  muscle  volume  and  function.  Even  after  one  or  two  weeks  of  immobilization  the  muscle is adversely affected.138, 146 Restoration of muscle function and strength  is  a  central  goal  in  ACL  rehabilitation,  since  good  muscle  strength  has  been  shown  to  be  important  after  ACL  injury  or  reconstruction. The  rehabilitation  needs to include all lower extremity muscles, although quadriceps weakness is  one of the major challenges.268 Many patients have muscle weakness in spite of  completed rehabilitation after ACL injury or reconstruction,16,  71,  74,  119,  149,  187,  241,  246,  267,  317,  341  and  quadriceps  weakness  is  common  in  patients  who  do  not  compensate  well  for  the  injury.71  Moreover,  quadriceps  atrophy  or  weakness  have been noted to be correlated to poor knee function.71, 98, 143, 152, 216, 230, 300, 338, 343    

It  is  unclear  why  quadriceps  muscles  weaken.  Activation  failure  and  lack  of  control of the quadriceps muscle have been reported,54, 135, 136, 187, 330, 331 and that 

(23)

      Introduction   

can be caused by abnormal articular afferent information and reflex inhibition  in  the  muscle.78,  135,  136,  157,  158,  213,  299,  312  Swelling  has  an  inhibitory  effect  on  the  quadriceps  muscle.78,  128,  153,  213,  325  It  is  also  known  that  pain  may  affect  the  ability  to  activate  the  muscle.56,  213,  311,  333  In  addition,  instability  can  lead  to  a  different movement pattern, which probably alters the muscle recruitment.279  A  reduced  external  flexion  moment  has  been  found  in  patients  with  ACL  deficiency.30,  278  This  is  interpreted  as  a  quadriceps  avoidance  pattern  and  is  suggested to be an adaptive strategy to decrease the anterior directed force on  the  tibia.30  However,  the  occurrence  of  this  gait  alteration  is  questioned.270  Furthermore, weakness in thigh muscles, particularly the quadriceps, persists  with  lack  of  structured  rehabilitation,328  and  it  is  questionable  if  the  strength  training previously performed has been sufficient.206, 277  

Treatment of ACL injury  

The treatment choices for individuals with ACL injury are either surgery and  subsequent rehabilitation or exclusively rehabilitation. The surgery involves a  reconstruction of the ligament with a graft. Candidates for surgery are young  active  individuals,  patients  with  persistent  functional  instability  and  giving  way  symptoms  after  the  rehabilitation,  and  combined  ligamentous  and  meniscal  injuries.60,  68,  87,  274  Approximately  one‐third  of  the  patients  with  an  ACL  injury  compensate  enough  to  resume  activity.  One‐third  can  partly  compensate  but  are  forced  to  give  up  many  activities.  One‐third  experience  instability  despite  rehabilitation  and  are  referred  to  surgical  intervention.235  Irrespective  of  the  possible  reconstruction,  the  rehabilitation  exerts  great  influence on the healing response,35 and structured rehabilitation significantly  helps patients gain dynamic stability in the knee joint.35, 51, 70, 87  

(24)

Introduction 

 

and  quadriceps  weakness  have  resulted  in  the  use  of  the  hamstring  graft,  a  technique  that  has  become  more  common.86,  88,  350  Earlier  meta‐analyses  comparing patellar tendon and hamstring tendon graft concluded that patellar  tendon  grafts  had  a  lower  rate  of  graft  failure88  and  resulted  in  better  static  knee stability88,  357 and increased patient satisfaction88 compared to hamstring  tendon graft. However, a recent meta‐analysis revealed that the knee stability  and graft failure with the two graft alternatives are similar.38 In addition, use  of the hamstring tendon graft resulted in a lower rate of anterior knee pain38, 88  and  extension  deficits38  compared  to  patellar  tendon  graft.  There  were  no  differences between the graft alternatives with respect to returning to previous  sporting activities.88 

 

An  ACL  reconstruction  can  reduce  the  static  knee  laxity  to  within  normal  or  clinically satisfactory limits.34,  43,  244,  284,  318,  356 However, the procedure does not  seem to restore normal tibiofemoral kinematics.27,  34,  43,  183,  235,  244,  318,  356 Another  study  reported  that  ACL  reconstruction  with  hamstring  graft  restored  the  tibiofemoral  contact  pattern  to  that  of  the  uninjured  contralateral  knee.  However, the kinematics of both knees appears to change with time.284 Yet, an  ACL  reconstruction  may  decrease  the  risk  of  future  meniscal  or  cartilage  injury requiring surgery.68 However, the risk of osteoarthritis does not seem to  be reduced.60, 185 

Rehabilitation after ACL injury or reconstruction 

The  rehabilitation  of  patients  with  ACL  deficiency  aims  to  improve  the  dynamic stability despite the decreased mechanical stability. The main goal of  the  rehabilitation  after  ACL  rupture  or  reconstruction  is  to  restore  knee  function  by  enhanced  neuromuscular  control,  which  can  be  achieved  by  training  of  muscle  strength,  coordination,  and  proprioceptive  ability.53,  269,  342  Neuromuscular  training  programs  for  patients  with  ACL  reconstruction  aim  to  improve  muscle  activation,  increase  dynamic  joint  stability,  and  relearn  movement  patterns  and  skills  used  during  daily  activities  and  sports  activities.269  A  neuromuscular  training  program  is  reported  to  be  effective  in  improving  the  knee  function.266  Many  other  rehabilitation  programs  also  include exercises to improve the neuromuscular function. 

 

Current  practices  commonly  employ  accelerated  rehabilitation,  permitting  immediate  full  weight  bearing  and  restoration  of  full  range  of  motion  after 

(25)

      Introduction   

ACL  reconstruction.288,  291,  329  The  rehabilitation  program  needs  to  be  progressed  according  to  guidelines.6  Progression  to  the  next  phase  is  usually  allowed  after  fulfilment  of  certain  criteria.51,  53,  219  There  is,  however,  no  consensus  regarding  the  optimal  rehabilitation  regimen  following  ACL  deficiency or reconstruction.33, 35, 292, 327 

 

After  a  ligament  injury  or  surgery  the  injury  site should  be  protected  during  the first healing phases so the tissue can regain a certain amount of strength.  Rehabilitation  after  ACL  reconstruction  needs  to  avoid  great  anterior  tibial  translation  to  protect  the  graft  from  excessive  strain  and  pathological  elongation.33,  35  In  addition,  patients  with  ACL  deficiency  should  probably  avoid large anterior tibial translation in the first rehabilitation phase to avoid  excessive strain on secondary stabilizers. The secondary restraining structures  are placed under increased tension as the load‐bearing capacity of the ACL has  been  decreased  or  abolished  due  to  the  injury,  a  situation  that  may  cause  further  loosening  of  the  joint.45  In  the  later  phase  of  healing,  it  is  however,  known  that  application  of  some  amount  of  stress  on  the  healing  tissue  will  improve  healing  and  contribute  to  increased  stiffness  and  improved  mechanical  properties  and  remodelling  of  the  ligament  or  graft.308,  324,  349  Consequently, some strain during the healing process increases graft strength,  whereas  excessive  strain  can  stretch  or  rupture  the  graft.  When  designing  a  rehabilitation program for patients after ACL reconstruction it is fundamental  to  restore  lower  extremity  function  and  at  the  same  time  optimally  load  the  ACL graft.268 It is, however, unclear how much strain can be accepted during  different healing phases after an ACL reconstruction. 

Closed and open kinetic chain 

Rehabilitation  exercises  can  be  classified  into  closed  kinetic  chain  (CKC)  or  open kinetic chain (OKC) exercises. Exercises in CKC are modelled as closed  linkages where a movement in one joint simultaneously produces movements  in other joints of the extremity. Exercises in OKC isolate one link of the kinetic 

(26)

Introduction 

 

on  the  tibia  relative  to  femur,31,  46,  77,  84,  171,  190,  337,  354  increased  tibiofemoral  compressive  forces,46,  77,  84,  337  and  increased  hamstrings  co‐contraction.31,  171  In  addition, CKC exercises are similar to functional activities.77, 126 A CKC exercise  involves  motion  in  all  joints  in  the  extremity,  which  requires  coordinated  muscle activity in several muscles to control all segments in the extremity.66, 140  Moreover,  there  are  fewer  reported  patellofemoral  complications  related  to  CKC  exercises  than  to  OKC  exercises.46,  77,  126 However,  there  is  evidence that  CKC  and  OKC  exercises  are  equally  effective  in  rehabilitation  for  patellofemoral pain syndrome.112 

 

Quadriceps contraction to near full extension leads to strain on the ACL. Knee  extension exercises involve different strain values depending on knee flexion  angle  and  the  magnitude  of  muscle  contraction.  In  contrast,  exercises  that  involve  isolated  hamstring  contraction  do  not  strain  the  ACL  at  any  knee  position  or  magnitude  of  the  muscle  contraction.11,  32,  35,  36,  107,  197,  260,  337  Furthermore,  exercises  in  CKC  cause  smaller  anterior  tibial  translation  than  exercises in OKC in patients with ACL deficiency.171, 354 The smaller translation  can  be  explained  by  higher  joint  compression  forces  that  decrease  anterior‐ posterior  translation  during  a  CKC  exercise.326,  337  However,  application  of  a  compressive  load  and  muscle  activation  produces  an  anterior  shift  of  the  tibia326  that  could  strain  the  ACL,  a  result  that  supports  the  fact  that  weight  bearing  also  increases  ACL  strain.84  In  addition,  it  is  unclear  whether  small  differences in tibial translation would produce excessive increase in the strain  on the ACL or secondary restraints.131 Moreover, recent research has proposed  that  the  effect  of  CKC  and  OKC  exercises  do  not  differ  in  terms  of  graft  healing,  postoperative  knee  function,  and  patient  satisfaction.83  There  is  still  lack  of  evidence  concerning  what  is  optimal  rehabilitation  for  ACL  injured  patients.  Evidence  regarding  the  strain  on  the  ACL  during  various  types  of  exercises31 is limited regarding the magnitude of loading that is detrimental to  the graft following ACL reconstruction.  

 

A  disadvantage  with  CKC  exercises  is  that,  due  to  their  complex  character,  they may not isolate separate muscles sufficiently to achieve optimal increases  in muscle strength. A weak quadriceps musculature will possibly not receive  enough  stimuli  to  regain  maximal  strength.140,  228  In  contrast,  OKC  exercises  isolate  one  muscle339  and  demand  considerably  activity  in  the  quadriceps  musculature99 and are thereby essential for strength development.206 Still, there  is no clear evidence that this type of exercise can be performed without risk.   

(27)

      Introduction   

A  few  RCT  studies  have  evaluated  CKC  and  OKC  exercises  in  ACL  rehabilitation. Perry et al.250 reported no differences in laxity or knee function  after rehabilitation in CKC or OKC in patients with ACL deficiency although  data on muscle strength is not reported. Another study showed that patients  with ACL reconstruction who trained with OKC exercises had greater anterior  tibial  translation  compared  to  patients  who  trained  with  CKC  exercises.  However, there was a difference in translation only for the static knee stability  (KT 1000) test with maximum applied force ‐ 1.6 mm in the CKC group vs. 3.3  mm  in  the  OKC  group.  No  information  was  obtained  regarding  muscle  strength  after  the  rehabilitation  programs.46  In  contrast,  Mikkelsen  et  al.206  found that the addition of exercises in OKC after ACL reconstruction resulted  in  a  significantly  better  improvement  in  quadriceps  torque  without  reducing  knee  joint  stability  and  led  to  a  significantly  higher  number  of  athletes  returning  to  their  previous  activity  earlier  and  at  the  same  level  as  before  injury.  Similarly,  no  differences  in  knee  laxity  in  patients  with  ACL  reconstruction  who  performed  quadriceps  exercises  in  CKC  or  OKC  in  the  early  period  after  surgery  is  reported.217  Moreover,  there  were  no  differences  in  functional  improvement126  or  knee  pain214  between  groups.  Furthermore,  CKC  and  OKC  exercises  have  been  compared  in  the  middle  period  of  rehabilitation  after  ACL  reconstruction.  There  were  no  differences  between  groups  regarding  knee  laxity  or  knee  function.249  Heijne  and  Werner110  evaluated  early  versus  late  initiation  of  OKC  exercises  for  quadriceps  in  patients  with  ACL  reconstruction  receiving  either  patellar  tendon  or  hamstring tendon grafts. Early start of OKC exercises after ACL reconstruction  with hamstring tendon graft resulted in increased knee laxity compared to late  start  and  to  both  early  and  late  start  after  ACL  reconstruction  with  patellar  tendon graft. On the contrary, in the patients receiving a patellar tendon graft  the  laxity  did  not  differ  between  groups  with  early  or  late  start  of  OKC  exercises.  This  result  is  in  line  with  other  studies.37,  142,  289  Furthermore,  early  start of OKC exercises did not lead to increased quadriceps muscle torques in  patients with hamstring tendon or with patellar tendon graft.110 

(28)

Introduction 

 

strength training, muscle volume is not increased proportional to the strength  gains.  Particularly  in  the  early  period  of  training  a  great  proportion  of  the  muscle  strength  can  be  attributed  to  neuronal  adaptation  resulting  in  enhanced motor unit activation.75, 138, 146, 251, 282  

 

Application of appropriate load is central in strength training.2, 49, 76, 251, 252, 262, 336  Once muscles adapt to a stimuli, additional load needs to be placed on these  structures  to  achieve  further  strength  gains.251,  252,  262  Overload  leads  to  compensatory  hypertrophy  and  an  increase  in  muscle  strength.76,  138,  146  One  repetition  maximum  (1RM)  is  defined  as  the  heaviest  resistance  that  can  be  lifted for one complete repetition of an exercise.76, 155 Load in exercise programs  are generally expressed as percent of 1RM. The dose‐response relationship of  strength  development  has  shown  to  be  different  for  untrained  individuals,  recreationally trained individuals, and athletes. Untrained individuals achieve  maximal  strength  gains  at  a  training  intensity  of  about  60%  of  1RM,  recreationally trained individuals exhibit maximal strength gains with a mean  intensity of 80% of 1RM, and athletes need a training intensity of 85% of 1RM  to achieve optimal results.251, 252, 262  

 

Total training volume in weight training is  given by sets x  repetitions x load  accomplished.76  Performing  three261,  271  or  four262  sets  per  muscle  group  has  been shown to be superior compared to one set for maximal strength gains in  the leg muscles.  

 

Training  frequency  is  the  number  of  exercise  sessions  per  week.  For  maximized  strength  gains,  two  to  three  sessions  per  week  has  shown  to  be  optimal.76 Effect size for frequency of training is reported to differ by training  status.  Untrained  individuals  elicited  the  greatest  increases  in  strength  with  training of each muscle group three days per week, while trained individuals  achieved optimal strength gains through training two days per week.262 

Factors that may interfere with the rehabilitation  

Musculoskeletal  pain  may  affect  the  performance  of  exercises  and  alter  the  muscle  activation  pattern.122,  247,  311,  333  In  addition,  swelling  in  the  knee  joint  may also contribute to a changed movement pattern. Since effusion has been  shown  to  lead  to  quadriceps  inhibition,  it  may  interfere  with  quadriceps  strengthening.78,  128,  153,  307  Therefore,  most  ACL  rehabilitation  programs  incorporate  early  joint  motion  as  it  is  beneficial  for  pain  reduction  and  can 

(29)

      Introduction   

minimize  capsular  contractions  and  normalize  ROM.  Goals  in  the  early  rehabilitation  phase are  full  knee  joint  ROM,  achieved  muscular  control,  and  reduced swelling.33, 35, 51, 193, 219, 266, 268, 269, 288, 289, 329 

 

Furthermore,  fear  of  pain  affects  the  ability  to  move  and  the  performance  of  the rehabilitation exercises. A patient can manage fear through confrontation  or  avoidance.  Fear‐avoidance,  which  refers  to  avoidance  of  movements  or  activities  based  on  fear,  has  been  suggested  to  contribute  to  long  term  pain  problems.  Avoidance  of  movements  and  activities  probably  cause  deterioration  of  the  musculoskeletal  system.177,  345  Pain  related  fear  is  associated  with  functional  limitations  in  patients  with  osteoarthritis.116  Moreover,  fear  of  re‐injury  is  common  among  patients  with  ACL  reconstruction who do not succeed to return to their pre‐injury activity level.169  In  addition,  the  psychological  profile  of  the  patients,96  and  perceived  self‐ efficacy (the judgment of oneʹs potential ability to carry out a task) 322 may be  of importance for the rehabilitation outcome.  

Assessment of knee joint function 

Knee joint stability 

In  the  clinical  situation  knee  laxity  is  evaluated  using  a  Lachman  test59,  184,  232  and  pivot  shift  test.59,  232,  233  A  clinical  examination  provides  a  subjective  grading  of  the  knee  motion.  There  is,  however,  poor  agreement  between  clinical  laxity  test  on  an  acute  knee  injury  and  magnetic  resonance  imaging  (MRI)  verified  ACL  rupture.90  In  addition,  there  are  great  inter‐observer  variations in the estimations.231 In research, analysis of knee joint motion have  been made using in vitro approaches with cadavers,132, 180, 195, 281, 350 and in vivo  methods  including  strain  measurements,31  goniometer  chains,164,  334 

(30)

Introduction 

 

tibial  translation  can  be  measured  using  CA‐4000,164,  334  KSS,263,  354  and  Instrumented Spatial Linkage.194  

Neuromuscular function 

Muscle  strength  is  commonly  evaluated  with  isokinetic  dynamometry  after  ACL injury or  reconstruction. Low angular velocities (30 or 60°/sec)64,  65,  98,  118,  143, 150, 151, 211 and higher angular velocities (≥ 120°/sec)64, 65, 98, 118, 143, 150, 151, 199, 211, 338  have  been  used.  In  addition,  assessment  of  1RM  or  prediction  of  1RM  from  submaximal  tests  is  used  to  evaluate  strength  and  to  determine  appropriate  load  when  prescribing  training.248  Moreover,  a  strength  test  battery,  which  includes  knee  extension,  knee  flexion,  and  leg  press  muscle  power  tests,  can  significantly  reveal  deficits  in  leg  muscle  power  in  patients  with  ACL  deficiency or ACL reconstruction.224    Electromyography (EMG) analysis can assess muscle activation with respect to  magnitude and timing. The EMG signal consists of the electrical signal of the  neuromuscular activation.23   

The  most  established  test  to  measure  proprioception  is  the  threshold  to  detection of passive motion. Another frequently used test is the reproduction  of  passive  positioning,  which  uses  active  reproduction  of  a  previously  positioned knee joint angle.89 

 

Postural  control  is  a  person’s  ability  to  control  the  body’s  position  in  space  while  maintaining  stability  and  orientation342  and  can  be  assessed  using  measurements of balance in stance.3 

 

Jump  tests  are  frequently  used  to  assess  knee  function  in  patients  with  ACL  deficiency or reconstruction. Several jump tests and jump test batteries exist; a  selection  is  described  here.  Vertical  jump,  hop  for  distance,  drop  jump  followed by double hop for distance, square hop, and side hop have high test‐ retest reliability.108 A test battery including vertical jump, hop for distance and  side  hop  is  reported  to  have  high  ability  to  discriminate  between  the  hop  performance of the injured and uninjured leg in patients with ACL deficiency  or  ACL  reconstruction.108  Noyes  et  al  developed  a  series  of  one‐legged  hop  tests  ‐  single,  triple,  cross‐over  and  timed  hop  tests  ‐  to  create  a  measure  of  alterations  in  lower  limb  function  in  patients  with  ACL  deficiency.230  This 

(31)

      Introduction   

series  of  hop  test  is  reliable  and  valid  for  patients  with  an  ACL  reconstruction.258  These  hop  tests  are  included  in  a  decision‐making  scheme  for  classifying  patients  as  rehabilitation  versus  surgical  candidates  based  on  their dynamic knee stability.81  

Subjective knee function 

The  Lysholm  score319  and  the  Knee  Injury  and  Osteoarthritis  Outcome  Score  (KOOS)272 are frequently used to evaluate subjective knee function in patients  with  ACL  deficiency  or  reconstruction.  The  level  of  activity  is  regularly  determined  with  the  Tegner  score.319  Knee  related  quality  of  life  can  be  assessed  using  the  ACL  Quality  of  Life  Questionnaire.168,  210  Moreover,  pain  related  fear  can  be  measured  with  the  Tampa  Scale  for  Kinesiophobia.169,  344  Self  efficacy  can  be  evaluated  using  the  Knee  Self‐Efficacy  Scale,  which  is  developed to evaluate prognostic and outcome expectations of perceived self‐ efficacy in patients with ACL deficiency.321

Rationale for the thesis 

Anterior cruciate ligament injury is common among young active individuals,  and  many  patients  have  remaining  problems  despite  treatment.  The  rehabilitation  aims  to  improve  dynamic  knee  stability.  The  dynamic  anterior  tibial translation is of importance for the knee function. However, the effect of  ACL  reconstruction  and/or  rehabilitation  on  dynamic  knee  stability  is  not  completely  understood.  Consequently,  there  is  a  need  of  more  knowledge  regarding  the  effect  of  different  rehabilitation  exercises  and  rehabilitation  programs  on  knee  joint  motion  and  muscle  activation  in  patients  with  ACL  deficiency  or  ACL  reconstruction.  This  information  may  imply  that  the  rehabilitation can be adjusted to develop stability in the knee joint. 

(32)

Aims 

AIMS OF THE THESIS 

General aim 

The overall aim of this thesis was to study the dynamic knee stability during  and after rehabilitation in individuals with ACL injury.  

Specific aims 

1) To elaborate an evaluation method for muscle strength   • To develop a systematic procedure for the establishment of one  repetition maximum (1RM) (study II).  

• To  investigate  the  intra‐  and  inter‐rater  reliability  of  1RM  of  squat  on  one  leg  and  seated  knee  extension  on  one  leg  (study  II).  

 

2) To  evaluate  the  effect  of  exercises  in  closed  and  open  kinetic  chain 

• To evaluate the effect of a specific exercise session on static and  dynamic  sagittal  tibial  translation  in  uninjured  individuals  (study I).  

• To  compare  the  effects  of  a  comprehensive  rehabilitation  program  supplemented  with  quadriceps  strengthening  in  closed  kinetic  chain  (CKC)  with  the  same  comprehensive  rehabilitation  program  supplemented  with  quadriceps  strengthening  in  open  kinetic  chain  (OKC)  in  patients  with  acute  ACL  deficiency  on  static  and  dynamic  sagittal  tibial  translation,  muscle  function,  and  subjective  knee  function  (study III).  

(33)

      Aims   

• To  evaluate  different  rehabilitation  exercises  regarding  dynamic  anterior  tibial  translation  and  muscle  activation  five  weeks after an ACL reconstruction (study IV).  

 

3) To  evaluate  dynamic  knee  stability  in  patients  with  ACL  deficiency or ACL reconstruction 

• To  compare  anterior  tibial  translation  and  muscle  activation  during  rehabilitation  exercises  in  an  ACL  reconstructed  knee  with  the  same  ACL  injured  knee  before  ACL  reconstruction,  and with the uninjured knee on the same patient (study IV).   

(34)

Materials and methods 

MATERIALS AND METHODS 

Design 

The thesis consists of the following studies: 

• a  methodological  study  performed  on  uninjured  individuals,  aiming  to develop an evaluation method for muscle strength (study II). 

• experimental laboratory studies to evaluate the effect of repeated knee  exercises  in  uninjured  individuals  (study  I)  and  to  identify  effective  and safe knee exercises in patients with ACL reconstruction (study IV).  • an  experimental  clinical  study  performed  on  patients  with  ACL 

deficiency, to evaluate specific rehabilitation programs in a randomised  study design (study III). 

Overview of the studies  

The  thesis  is  mainly  based  on  data  collection  of  knee  motion  including  tibial  translation,  registration  of  muscle  activation,  muscle  strength  and  functional  performance, and subjective ratings of knee function and activity level. 

Study I 

Sagittal  tibial  translation  and  muscle  activation  were  measured  on  uninjured  individuals  before,  during,  and  after  a  specific  exercise  session  with  heavy  load,  including  cycling  and  maximum  number  of  knee  extensions  and  heel  raises. 

Study II 

A  systematic  procedure  for  the  establishment  of  1RM  was  developed.  The  intra‐ and inter‐rater reliability of 1RM of a squat on one leg and seated knee 

(35)

Materials and methods 

extension  on  one  leg  was  investigated  on  uninjured  individuals  using  a  test  retest design.  

Study III 

Patients  were  tested  (median  43  days,  range  20‐96)  after  an  ACL  injury.  Patients  were  randomised  to  a  rehabilitation  program  supplemented  with  quadriceps strengthening in CKC or OKC. Aside from these exercises, the two  rehabilitation  programs  were  identical  (paper  III  Appendix  1).  Patients  were  assessed after four months of rehabilitation. Sagittal tibial translation, muscle  strength, jump performance, muscle activation, and functional outcome were  evaluated. 

Study IV 

Sagittal  tibial  translation  and  muscle  activation  were  registered  during  rehabilitation  exercises  on  patients  before  (uninjured  and  the  ACL  deficient  knee) and five weeks after an ACL reconstruction (ACL reconstructed knee).  

Subjects 

Uninjured  individuals  and  patients  with  an  ACL  deficiency  or  ACL  reconstruction participated in the thesis (Table 1). 

(36)

Materials and methods    Table 1 Subjects included in the studies.    Study Individuals Uninjured/ injured knee Number Age mean (range) Sex male/female I Uninjured 18 25 (20-33) 9/9 II Squat Uninjured 16 24 (20-27) 4/12 Knee extension Uninjured 27 25 (21-31) 16/11

III ACL def 42a 26 (15-44) 24/18 IV ACL rec 19 21 (16-31) 11/8 a49 patients were included in the RCT study; 20 of the patients in the CKC group (11 men and 9  women) and 22 patients in the OKC group (13 men and 9 women) completed the rehabilitation and  follow‐up procedure.  ACL def = ACL deficient knee, ACL rec = ACL reconstructed knee.   

Study I and II 

A  convenient  sample  of  uninjured  volunteers  aged  18  to  35  years  was  recruited. 

Study III 

Participants  were  recruited  consecutively  from  patients  attending  the  orthopaedic  department  after  knee  trauma  from  December  2002  to  January  2006. Patients were informed about the study and were asked to participate if  they  were  15  to  45  years  old  and  had  a  unilateral  ACL  rupture  that  was  no  more than 14 weeks old. Patients were excluded if they had additional injury  or  previous  surgery  to  the  lower  extremities,  with  the  exception  of  partial  meniscal injury or minor collateral ligament injury in the injured knee joint or  partial  meniscectomy  in  the  injured  or  contralateral  knee.  All  ACL  injuries  were  verified  by  arthroscopy  or  MRI.  Forty‐nine  patients  were  randomly  assigned  to  one  of  the  two  treatment  groups  using  a  concealed  allocation  procedure,  and  42  patients  fulfilled  the  rehabilitation  program  and  the 

(37)

Materials and methods 

assessments.  Numbers  of  isolated  and  combined  ACL  injures  were  not  significantly different between groups. 

Study IV 

Participants  were  recruited  consecutively  from  patients  who  were  diagnosed  with  unilateral  ACL  rupture  and  were  on  the  waiting  list  for  ACL  reconstruction with a quadruple hamstring tendon graft from October 2004 to  May  2006.  Patients  were  informed  about  the  study  and  were  asked  to  participate  if  they  were  15  to  45  years  old  and  had  a  unilateral  ACL  rupture  that was no more than 4 years old. Exclusion criteria were other total ligament  rupture,  menisci  suture  in  the  injured  knee  joint,  total  ligament  rupture,  or  reconstruction  on  the  contralateral  knee.  All  patients  followed  a  carefully  defined  rehabilitation  program  (paper  IV).  Immediately  after  being  operated  on,  the  patients  were  allowed  unrestricted  range  of  motion  exercises  plus  quadriceps  sets  and  straight  leg  raise.  Weight‐bearing  when  walking  was  allowed  after  one  week,  and  single  crutch  weight  bearing  indoors  after  two  weeks. 

Equipment 

Electrogoniometer 

A computerised goniometer linkage, CA‐4000 (OSI Inc., Hayward CA, USA),  was used to measure the flexion angle and sagittal tibial translation (Figure 2).  The  system  is  composed  of  three  parts:  the  femoral  and  tibial  frames,  and  a  rotation  module.  Three  potentiometers  in  the  rotation  module  measure  the  relative rotations between the femur and tibia. The potentiometer for sagittal 

(38)

Materials and methods        Figure 2 The CA‐4000 system mounted on a subject.   a = potentiometer registering knee extension ‐ flexion, b = potentiometer registering sagittal plane  motion.    The CA‐4000 was zeroed at the beginning of each assessment with the subject  lying supine on the examination table and the knee relaxed to full extension.  This position is a neutral reference that is used to define tibial position during  motion.  A  passive  knee  extension  was  performed  to  identify  a  reference  position  at  each  flexion  angle  for  the  calculation  of  dynamic  translation.  The  passive  extension  was  done  from  >100°  knee  flexion  to  hyperextension.  The  subject  was  sitting  on  the  examination  table  with  back  support,  with  approximately 70° hip flexion. The passive extension was repeated two to four  times  during  the  test  procedure  to  control  calibration.  Data  were  sampled  from the potentiometers by a computer at a rate of 2000 Hz. 

 

The mechanical accuracy of the CA‐4000 electrogoniometer is ± 0.7 mm within  the  normally  used  sagittal  measurement  range.334  The  CA‐4000  also  has  satisfactory  validity  throughout  a  range  of  motion  when  compared  to  fluoroscopy. The CA‐4000 was validated during stair ascent in 10 patients with  ACL  deficiency  and  10  controls.  The  correlations  between  the  electrogoniometric and fluoroscopic measurements were r > 0.89 when patella 

 a a 

References

Related documents

The four studies included in this thesis will be briefly described; factors that differ be- tween females with ACLR who return to football or not, functional performance

Division of Physiotherapy, Department of Medical and Health sciences Linköping University. SE-581 83

Avhandlingens titel: Dynamic knee stability after anterior cruciate ligament injury ‐  Emphasis on rehabilitation    

Graft fixation and timing of surgery are predictors of early anterior cruciate ligament revision: a cohort study from the Swedish and Norwegian knee ligament registries based

Patients suffering an ACL injury run the risk of further complications, such as meniscal or cartilage injuries in the short term and degeneration of the knee joint in the long

Clinical results and risk factors for reinjury 15 years after anterior cruciate ligament reconstruction: a prospective study of hamstring and patellar tendon grafts. Maletis

patients who underwent a primary ACL reconstruction us- ing either hamstring tendon (HT) or patellar tendon (PT) autografts, to investigate clinical and radiographic results.

In Study II, the primary aims were to analyze the changes in knee laxity over time, after an index ACL reconstruction using either BPTB or HS autografts, and to compare the